Qualitätssicherung beim Hybridfügen

Beim kombinierten mechanischen Fügen und Kleben existieren Wechselwirkungen der elementaren Fügeverfahren. Durch diese Wechselwirkungen können Werkzeug- und Verfahrensparameter der elementaren Fügeprozesse nicht direkt auf die Hybridfügetechnik übertragen werden. Es fehlt an detailliertem Verständnis der Einflussgrößen in Bezug auf eine qualitätssichere Fertigung. Das Verständnis wird aus einer kombinierten experimentellen und numerischen Untersuchung des Hybridfügens gewonnen. In umfangreichen experimentellen Studien wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf das Clinchkleben untersucht. Im Fokus stand dabei der Einfluss von Klebstoffviskosität und der Prozesskinematik (voreilender Stempel und Vorhubstopp) bei vier Paarungen identischer Gesamtblechdicke. Dabei wurden die Einflüsse auf die Klebstoffverteilung im Fügepunkt sowie die Entwicklung der Halsdicken- und Hinterschnittausbildung ausgewertet. Kritisch hinsichtlich der Qualität der Hybridfügeverbindungen sind dabei Klebstoffeinkammerungen, welche vor allem den Hinterschnitt massiv beeinträchtigen können. Tendenziell erfolgt eine Verringerung der Hinterschnittausbildung bei steigender Klebstoffviskosität und sinkender Steifigkeit des matrizenseitigen Bleches. Durch Stempelvoreilung kann eine signifikante Verbesserung der Klebstoffverdrängung und damit auch der Hinterschnittausbildung erwirkt werden. Eine Einbindung des Vorhubstopps bewirkt eine weitere Verbesserung etwa gleicher Größenordnung. Für das Halbhohlstanznietkleben wurde experimentell nur der hochviskose Klebstoff Betamate 1496 betrachtet, da die Beeinträchtigungen im Vergleich zum Clinchen deutlich geringer sind. Die Simulation des Clinchklebens und Stanznietklebens war zu Beginn des Vorhabens nach den Recherchen der Forschungsstellen nicht Stand der Technik. Zur Simulation des elementaren Umformfügens kommen in der Regel spezialisierte Simulationsprogramme zum Einsatz. Diese Programme sehen keine Möglichkeiten zur Beschreibung des beim Hybridfügeprozess verdrängten flüssigen Klebstoffs vor. Strömungssimulationsprogramme bieten die Möglichkeit den Fluss fluider Materialien unter wirkenden Randbedingungen zu beschreiben. Im Rahmen des Vorhabens wurden verschiedene Methoden analysiert beide Simulationstechniken zur Modellierung des Hybridfügens zu koppeln. Es wurden umfangreiche rheologische Untersuchungen zur Klassifizierung des Fließverhaltens der ausgewählten Klebstoffe vorgenommen. Im Anschluss erfolgte die Erprobung der gekoppelten Simulationsmethoden zur Beschreibung der Quetschströmung in einem einfachen Versuchsaufbau. Für die Hybridfügetechnologien Clinchkleben und Halbhohlstanznietkleben wurden Referenzmodelle zu den elementaren Umformfügeverfahren ausgearbeitet. Diese Referenzmodelle wurden zur Beschreibung der Hybridfügeprozesse um die Einbeziehung der Verdrängung des flüssigen Klebstoffs erweitert. Für das Clinchkleben wurden mehrere Methoden erfolgreich erprobt und diskutiert. Die Analysen wurden hierbei auf Wunsch des PbA auf die Ausbildung von Klebstofftaschen im Bereich des Fügepunkts fokussiert. Weiterhin wurde der Einfluss von verschiedenen Parametern in den Simulationen untersucht und Maßnahmen zur Optimierung des Prozesses abgeleitet. Abschließend wurde das Halbhohlstanznietkleben simuliert. Die erarbeiteten Simulationen gehen über den Stand der Technik hinaus, sind jedoch mit numerischen Instabilitäten und hohen Rechenzeiten verbunden. Die Variation der Parameter des Prozesses beschränkt sich daher auf eine gezielte Auswahl mit dem Ziel der Wissensgenerierung. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.